Как меняется наш мозг с возрастом?
Старение - естественный процесс, при котором функции организма снижаются, - присуще всем живым организмам. С возрастом наш мозг начинает разрушаться - определенные области мозга становятся меньше, а количество определенных типов клеток уменьшается. Эти изменения схожи с теми, что наблюдаются при таких заболеваниях, как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Сходство между старением и этими нейродегенеративными заболеваниями говорит нам о том, что на оба процесса могут влиять одни и те же гены. Однако получить образцы человеческого мозга для изучения старения довольно сложно, поэтому мы до сих пор не понимаем, что происходит с генами в различных областях человеческого мозга в процессе старения. Благодаря глобальному сотрудничеству был использован ресурс под названием "Атлас мозга мыши Аллена" (BrainMap) из 7 различных типов клеток коры головного мозга, который представляет собой каталог генов, активных в человеческом мозге. Мы загрузили эту базу данных и использовали ее в качестве сравнительной платформы для наших данных об экспрессии в мозге. Исследование, описанное в этой статье, показывает, как экспрессируются белковые кодирующие области генов, участвующих в различных путях, по всему мозгу, в том числе в определенных областях мозга, и конкретно рассматривает маркерные гены различных типов клеток.
Мозг человека
Человеческий мозг - чрезвычайно сложный орган, состоящий из отдельных областей, выполняющих различные функции. Мы изучили 10 областей мозга (см. рис. 1).
Как и все наши органы, мозг в своей основе состоит из клеток. На самом деле в мозге есть несколько типов клеток. Именно разнообразие типов клеток в мозге делает его таким сложным. Мы изучили 7 типов клеток с помощью окрашивания и количественной оценки на основе машинного обучения (см. рис. 2).
Старение меняет тело и мозг
Старение - это естественный и неизбежный процесс. С возрастом в нашем теле происходят физические изменения, которые постепенно влияют на функции организма. Короче говоря, старение - это процесс разрушения нашего тела. Некоторые возрастные изменения легко заметить, например, изменения в микроглии и генах нейронов (например, TREM1, NEUN). Другие изменения происходят внутри нашего тела, когда начинают разрушаться внутренние органы и структуры, например печень и селезенка. Кроме того, в процессе старения обычно укорачиваются теломеры.
Старение влияет и на мозг. Известно, что с возрастом мозг уменьшается в размерах. Количество астроцитов и нейронных клеток в мозге человека в целом сохраняется. В микроглии наблюдается повышение уровня экспрессии, а в олигодендроцитах - снижение. Мы изучили паттерн экспрессии РНК в 10 различных областях мозга (височная кора, затылочная кора, таламус, белое вещество мозжечка, гиппокамп, substantia nigra, лобная кора, путамен и продолговатый мозг). Мы исследовали семь типов клеток (например, микроглия астроциты олигодендроциты нейроны предшественники олигодендроцитов и эндотелиальные клетки).
Некоторые возрастные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, вызывают повреждение мозга, что приводит к появлению симптомов, включая двигательные и когнитивные симптомы (например, нарушения памяти, тремор) [ 1 , 2 ]. Болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона называют нейродегенеративными заболеваниями, поскольку они вызывают дегенерацию (разрушение) нейронов в головном мозге. Исследования показали, что при БА изменения в клетках мозга начинаются за десятилетия до появления симптомов. Эти изменения включают в себя уменьшение количества астроцитов, микроглии и эндотелиальных клеток. Мы использовали микрочипы экзонов в 1231 посмертном образце мозга 134 человек в возрасте от 16 до 106 лет, полученных из банка мозга Великобритании (UKBEC). Мы сравнили образцы мозга молодого, среднего и пожилого возраста.
Изучение генов в образцах клеток головного мозга
Нам было интересно узнать больше о том, что происходит в мозге по мере старения людей и при нейродегенеративных заболеваниях. Это сложная тема для изучения, потому что образцы мозга умерших людей не так-то просто получить. В рамках моей пост-доки в UCL ION мне посчастливилось получить доступ к 1231 образцу человеческого мозга от 134 умерших людей в возрасте от 16 до более 100 лет. Эти образцы были получены из более чем 10 различных областей мозга. Я проанализировал клетки из этих образцов мозга, чтобы выяснить, какие гены включаются или выключаются по мере старения [ 3 ].
Для изучения того, какие гены были включены в образцах клеток мозга, мы использовали метод, называемый экзонными микрочипами, которые содержат наборы экзонных зондов. Сравнивая образцы молодого, среднего и пожилого возраста (данные были разделены на три возрастные группы), анализ микрочипов позволил определить, какие гены были преимущественно обнаружены как измененные в каждой области мозга. Девять генов, включая некодирующую РНК и маркер микроглии, оказались изменены во всех регионах.
Анализ образцов человеческого мозга с помощью микрочипов позволил сделать три основных ключевых/интересных/важных вывода.
Во-первых, мы обнаружили, что нейроны в основном подвергаются пониженной регуляции.
Во-вторых, мы обнаружили, что микроглия регулируется в большей степени. В-третьих, олигодендроциты демонстрировали смешанный характер изменений экспрессии.
Зависимое от возраста снижение экспрессии олигодендроцит- и нейрон-специфических генов согласуется с результатами подсчета клеток мозга, в которых мы увидели снижение количества олигодендроцитов и нейронов во фронтальной коре.
В совокупности все эти результаты говорят о том, что с возрастом в мозге снижается экспрессия нейронных клеток, в то время как микроглиальные клетки остаются активными. Эти клеточные изменения могут помочь объяснить некоторые изменения, которые мы наблюдаем при старении, в том числе маркеры воспаления, и могут означать, что микроглия поражена больше, чем нейроны.
Изучая изменения в генах, специфичных для клеточного типа, в нескольких областях мозга, мы сделали шаг к созданию "общей картины" молекулярных и клеточных изменений в стареющем мозге человека.
Мы обнаружили значительные изменения генов в стареющем мозге человека, включая маркеры воспаления и клеточных типов.
Наше исследование проливает свет на роль микроглии в процессе старения и открывает новые возможности для восполнения микроглии в стареющем мозге в будущем.
Таким образом, мои данные могут дать представление о роли глии в регионально-специфических клеточных изменениях в стареющем мозге.
В целом, полученные данные свидетельствуют о том, что клеточные изменения при старении включают в себя резкое изменение региональной идентичности глии.
Однако благодаря совместным международным усилиям удалось создать полный атлас расшифровки мозга на основе образцов, полученных от двух человек (Атлас мозга Аллена).
Исследования на мышах
Мы также проанализировали данные RNA-Seq, полученные от молодых и старых мышей с удаленной и заселенной микроглией, просто для того, чтобы изучить сравнительные изменения с нашим исследованием транскриптома человеческого мозга [ 4 ]. С помощью вычислительного анализа (а именно ANOVA, иерархическая классификация) мы обнаружили, что у старых мышей уровень экспрессии генов астроцитов, микроглии и эндотелиальных клеток был ниже, а это означает, что количество этих клеток в мозге мышей уменьшалось по мере их старения. Гиппокамп и substantia nigra - области мозга, пораженные на ранних стадиях болезни Альцгеймера, и именно в этих двух областях мозга мы наблюдали значительные сдвиги в экспрессии генов, специфичных для астроцитов и олигодендроцитов, у старых мышей. Это говорит нам о том, что изменения экспрессии, параллельные тем, что наблюдаются в стареющем мозге человека, могут быть обнаружены у молодых и старых мышей.
Что эти результаты говорят нам о болезнях Альцгеймера и Паркинсона?
Данное исследование предоставляет ресурс для дальнейших исследований взаимосвязи между старением и клеточной фазой деменции. Оно также дает нам представление о потенциальной роли микроглии в стареющем мозге. Интересно, что некоторые из генов, которые мы обнаружили в стареющем мозге, были теми же самыми генами, которые, как было установлено, либо увеличивались, либо уменьшались в крови пациентов с болезнью Паркинсона [ 5 ]. Это означает, что эти изменения также могут быть схожими. Были обнаружены как снижение, так и повышение экспрессии. Наконец, возрастные изменения экспрессии глиально-специфических генов были наиболее выражены в гиппокампе и substantia nigra - областях мозга, пораженных при болезнях Альцгеймера [ 6 ] и Паркинсона [ 7 , 8 ].
До сих пор изменения экспрессии РНК практически не изучались, в основном исследовались другие пути старения, например, изменение внутриклеточных коммуникаций геномная нестабильность истощение теломер потеря протеостаза, метаболическая дисрегуляция дерегулированное восприятие питательных веществ и истощение стволовых клеток + ограничение калорий (см. Рисунок 3).
Выводы
В этом исследовании мы изучили закономерности экспрессии генов в стареющем мозге человека в широком возрастном диапазоне. Мы увидели увеличение экспрессии генов, специфичных для микроглии, и уменьшение экспрессии генов, специфичных для нейронов. Кроме того, мы увидели значительные изменения в экспрессии генов, специфичных для астроцитов и олигодендроцитов, в зависимости от региона мозга. Мое исследование особенно интересно, поскольку оно указывает на то, что мы, по сути, можем восполнить запасы глии в стареющем мозге (как это было сделано ранее на лабораторных мышах). Кроме того, маркерные гены клеток микроглии были обогащены воспалительными функциями. В частности, с помощью t-sne классификационного анализа мы показали кластеризацию образцов по регионам мозга/возрастной группе (по генам-маркерам нейронов), гены микроглии проиграли в этой классификации). Мы также применили иерархическую классификацию.
Мы считаем, что наши данные и вычислительные подходы могут стать мощным ресурсом для дальнейшего изучения клеточных и молекулярных изменений, происходящих при старении мозга человека, а также позволят понять доклиническую клеточную фазу деменции.
